烤煙移栽期干旱監(jiān)測評估模型研究及在攀西地區(qū)的應用

張玉芳，劉琰琰，杜成勛，肖國杰

(1.中國氣象局成都高原氣象研究所/高原與盆地暴雨旱澇災害四川省重點實驗室，四川 成都 610072；2.成都信息工程大學高原大氣與環(huán)境四川省重點實驗室，四川 成都 610225；3.四川省農(nóng)業(yè)氣象中心，四川 成都 610072；4.攀枝花市氣象局，四川 攀枝花 617000)

【研究意義】攀西地區(qū)地處四川省西南部，是典型的氣候脆弱區(qū)，農(nóng)業(yè)氣象災害多發(fā)、重發(fā)，抗災能力弱[1]。氣候因子作為影響烤煙生長及品質(zhì)的重要因素之一[2-3]。異常天氣條件下，如低溫和高溫、干旱、水澇、風害和冰雹[4-6]等氣象災害均會對烤煙生長造成損害，烤煙的適時移栽是獲得較高產(chǎn)量和優(yōu)良質(zhì)量的基礎[7-8]?？购翟詿熓翘岣邿熑~產(chǎn)量、質(zhì)量的關鍵措施之一?！厩叭搜芯窟M展】近年來攀西地區(qū)烤煙播種面積大概有6×104hm2，穩(wěn)定占據(jù)整個四川烤煙種植面積的60 %左右。攀西地區(qū)烤煙移栽后期正值干旱期，雨季開始前15 d左右的5月上、中旬移栽的烤煙，由于還苗期處于良好的光熱環(huán)境里，有利煙苗蹲苗，茁壯生長和形成發(fā)達的根系，進入旺長期后迅速形成優(yōu)質(zhì)、豐產(chǎn)的群體結(jié)構(gòu)，增強煙株對后期不利氣候的抗逆性[9-10]。但多數(shù)烤煙種植區(qū)的水利設施較差，雨季開始偏遲的年份，由于干旱嚴重，煙苗移栽成活率低，常因缺苗嚴重而影響產(chǎn)、質(zhì)量。如果等待進入雨季后移栽，煙苗成活率雖然高，但由于苗齡過長，易形成老苗、高腳苗，煙苗素質(zhì)差。特別是干旱對烤煙在蹲苗伸根期的危害影響較大，移栽后無灌溉用水加之雨季未到來，出現(xiàn)移栽后苗干、苗死現(xiàn)象。有關干旱的指標前人已做了大量的研究[11-14]，在日常的氣象業(yè)務服務工作中主要以降水量、降水距平、CI指數(shù)、干旱濕潤指數(shù)作為干旱評估標準，從氣候角度評判烤煙干旱發(fā)生情況，與實際情況常有出入。而具體針對烤煙移栽期，從土壤水分收支平衡方面考慮，適合四川省攀西地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)情況，能在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應用的模型未見報道?！颈狙芯壳腥朦c】本研究考慮攀西地區(qū)烤煙移栽后期至降水來臨時段降水的綜合影響，通過農(nóng)田水分盈虧量與標準蒸散量之比值，作為評定烤煙移栽期干旱的指標，從烤煙移栽期干旱指數(shù)的變異系數(shù)、風險概率、風險指數(shù)等多方面分析烤煙移栽期的風險度。 【擬解決的關鍵問題】為相關部門制定烤煙生產(chǎn)計劃及防旱減災措施提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本研究收集了攀西地區(qū)15個縣1990-2016年近27年的逐日平均溫度、降水量、日照時數(shù)、風速及海拔高度等資料；《中國氣象災害大典(四川卷)》[15]對攀西地區(qū)歷年干旱災害的詳細記載；攀西農(nóng)區(qū)各縣統(tǒng)計局從1990-2016年烤煙單產(chǎn)、總產(chǎn)及面積數(shù)據(jù)(圖1)。

1.2 烤煙干旱生育時間界定

烤煙移栽期是全年的用水集中期，亦是農(nóng)事關鍵期，就攀西地區(qū)而言，烤煙移栽期主要集中在4月下旬至5月中旬，該時期自然降水少，不能滿足移栽用水，需依靠水窖及山區(qū)小水塘在秋冬春季集中的降水進行灌溉，在移栽過后(4月下旬)至雨季來臨還有一段時間，該時段較易出現(xiàn)干旱，研究該時段烤煙土壤干旱狀況，可為生產(chǎn)部門何時進行灌溉以及是否進行灌溉提供科學依據(jù)，后期攀西地區(qū)進入了雨季，依靠自然降水足以提供烤煙生產(chǎn)用水，干旱出現(xiàn)概率較小。 因此，就攀西地區(qū)實況而言，秋季(去年9月中旬到11月)蓄水狀況對攀西烤煙在移栽期及后期灌溉生產(chǎn)中有巨大的影響，本文是在保證有水源完成烤煙移栽的情況下，分析烤煙在蹲苗伸根期干旱造成的危害影響，即移栽后到雨季來臨前(從4月21日開始，第1個連續(xù)10 d總降水量≥30 mm，定義為雨季開始期，并且第1個降水日達到10 mm為開始日)時段干旱對其影響，為烤煙適時灌溉提供科學依據(jù)。

圖1 攀西烤煙種植區(qū)氣象臺站分布Fig.1 Distribution of meteorological stations in tobacco planting area of Panxi region

1.3 移栽開始到大雨來臨前烤煙干旱監(jiān)測模型建立及等級劃分

1.3.1 移栽開始到大雨來臨前烤煙干旱監(jiān)測模型建立 本研究采用水分盈虧量與標準蒸散量之比值I表示農(nóng)田水分收支情況，其絕對值越大，水分失衡越嚴重[16]，第i個旬Ii為：

Ii=-(Pi-ETi)/ETi

式中:Pi為所計算移栽后第i個旬的降水量，ETi為該時期的標準蒸散量，Penman-Monteith公式[17-18]求得。

第1旬(4月下旬)干旱指數(shù)I(1)=-(P1-ET1)/ET1，第2旬進行干旱監(jiān)測時干旱指數(shù)為I(2)=0.4I1+0.6I2，第3旬進行干旱監(jiān)測時干旱指數(shù)為I(3)=0.4I2+0.6I3,第4旬進行干旱監(jiān)測時干旱指數(shù)為I(4)=0.4I3+0.6I4……以此類推，計算到大雨來臨前期。

I(i)=0.4Ii-1+0.6Ii

表1 烤煙干旱等級劃分標準

因降水距離監(jiān)測時段越近，影響越大，即前一時段權(quán)重系數(shù)定義為0.4，后一時段為0.6。

1.3.2 干旱等級劃分 通過《中國氣象災害大典》[15](四川卷)對干旱記載，對比計算得出的攀西地區(qū)典型年份烤煙干旱指數(shù)，確定烤煙干旱等級指標。將之分為無旱、偏旱、重旱3個級別。

1.4 烤煙移栽開始到大雨來臨前干旱風險評估

1.4.1 變異系數(shù) 變異系數(shù)計算公式可參考李李世奎等在《中國農(nóng)業(yè)災害風險評價與對策》書籍和薛昌穎等在文獻《華北北部冬小麥干旱和產(chǎn)量災損的風險評估》中的詳細闡述[19-20]，其中將干旱指數(shù)大于0.5，定義為偏旱等級；干旱指數(shù)>0.9，定義為重旱等級。

1.4.2 正態(tài)分布函數(shù)風險概率 計算了攀西烤煙1990-2016年干旱指數(shù)的偏度和峰度，驗證了其各站干旱指數(shù)基本服從正態(tài)分布規(guī)律，因此，可以用正態(tài)分布來求取偏旱和重旱界限下的風險概率[20-21]。

1.4.3 風險指數(shù) 風險指數(shù)把干旱強度和發(fā)生頻率有機結(jié)合，能客觀反應干旱風險性大小[22]。

2 結(jié)果與分析

2.1 烤煙移栽期干旱分布特點及變異系數(shù)

從各地平均干旱指數(shù)來看：攀西農(nóng)區(qū)大部都處于偏旱范圍，其中值較小區(qū)域主要集中在攀西農(nóng)區(qū)的東北部，在0.5～0.7之間，較大區(qū)域集中在南部的大部區(qū)域，主要為鹽邊縣、會理縣、會東縣、仁和區(qū)的全部，寧南縣、鹽源縣的大部及米易縣的部分區(qū)域，干旱指數(shù)為0.8～0.9之間，說明該區(qū)域干旱發(fā)生程度要重于攀西地區(qū)東北部(圖2)。

圖2 攀西烤煙移栽期平均干旱指數(shù)分布Fig.2 Drought index distribution during tobacco transplanting period in Panxi region

圖3 攀西烤煙移栽期偏旱界限下的變異指數(shù)分布Fig.3 Distribution of coefficient of variation of drought index at the level of slight drought during tobacco transplanting period in Panxi region

從計算的偏旱界限上的變異系數(shù)來看，值大都在10 %～25 %之間，其中以攀西農(nóng)區(qū)東北部大部及南部局部區(qū)域為值相對大區(qū)域，尤以冕寧縣和米易縣最大，達20 %以上，說明該區(qū)域干旱發(fā)生年份較多，風險較高；偏旱界限上變異系數(shù)值較小區(qū)域主要為南部的會理，會東、寧南、鹽邊以及北部的越西在10 %左右，說明該區(qū)域干旱發(fā)生年份較少，風險較小(圖3)。

從重旱界限上的變異系數(shù)來看(圖4)，值大都小于5 %，值較大區(qū)域集中在西昌、德昌、寧南、普格、會東、美姑及雷波縣，說明該區(qū)域重旱發(fā)生年份較多，風險較大，值較小區(qū)域為越西、甘洛縣，該分布與偏旱界限上的變異系數(shù)分布一致，說明該區(qū)域干旱發(fā)生年份相對較少。

圖4 攀西烤煙移栽期重旱界限下的變異指數(shù)分布Fig.4 Distribution of coefficient of variation of drought index at the level of severe drought during tobacco transplanting period in Panxi region

圖5 攀西烤煙移栽期偏旱界限下的風險概率分布Fig.5 Distribution of risk probability of slight drought during tobacco transplanting period in Panxi region

圖6 攀西烤煙移栽期重旱界限下的風險概率分布Fig.6 Distribution of risk probability of severe drought during tobacco transplanting period in Panxi region

圖7 攀西烤煙移栽期干旱風險指數(shù)分布Fig.7 Distribution of risk index of tobacco drought during transplanting period in Panxi region

區(qū)號No.風險程度Risk level綜合風險指數(shù)Composite risk parameterⅠ高≥1.6Ⅱ較高1.4～1.6Ⅲ較低1.2～1.4Ⅳ低≤1.2

2.2 烤煙干旱風險概率

從風險概率的分布來看：偏旱界限上的風險概率自北向南逐步減小，重旱界限上的風險概率，中間區(qū)域最大，其余區(qū)域自南向北逐步減小。偏旱界限上的風險概率大都在18 %～24 %之間，其中以北部的部分區(qū)域風險概率在20 %以上，出現(xiàn)偏旱的可能性相對大些，風險最大，南部攀枝花大部區(qū)縣出現(xiàn)偏旱的風險概率相對小些。重旱界限上的風險概率大都集中在5 %～20 %之間，其中北部的越西和甘洛10 %左右，中部的德昌、普格及寧南等縣在17 %以上，發(fā)生重旱的風險概率相對較大，其余大部區(qū)域都在10 %～17 %之間(圖5～6)。

2.3 烤煙干旱風險指數(shù)及綜合風險區(qū)劃

如圖7所示，自東北向西南逐步增大的趨勢，其中攀枝花大部及涼山州的部分區(qū)域在60 %～85 %之間，尤以鹽邊、德昌、仁和區(qū)及會東縣的部分區(qū)域最大達70 %～85 %之間，值較小區(qū)域主要集中在攀西農(nóng)區(qū)的東北部，其中甘洛、越西及美姑縣在30 %左右。

為了反映攀西地區(qū)烤煙干旱綜合風險，本研究將偏旱界限上的干旱指數(shù)變異系數(shù)、風險概率和風險指數(shù)3種指標進行極差標準化后相加，得到綜合風險指數(shù)，并參考《中國氣象災害大典》[15](四川卷)對干旱記載，劃分為如下4個等級(圖8)。

圖8 攀西烤煙移栽期干旱綜合風險等級分布Fig.8 Distribution of composite drought risk grades during tobacco transplanting period in Panxi region

由圖8可以看出，高風險區(qū)位于涼山州的冕寧縣大部，昭覺德昌局部、米易縣東北的大部分地區(qū)，主要涉及米易縣的攀蓮鎮(zhèn)、草場鄉(xiāng)、白馬鎮(zhèn)、丙谷鎮(zhèn)、新山鄉(xiāng)、普威鎮(zhèn)等鄉(xiāng)(鎮(zhèn))，這些地區(qū)氣溫高，蒸發(fā)量大，雨季開始前，降水量較少。

較高風險區(qū)位于涼山州大部及米易縣高風險區(qū)周邊以及鹽邊縣北部少部分地方，主要涉及攀枝花市的白坡鄉(xiāng)、麻隴鄉(xiāng)、得石鎮(zhèn)、紅寶鄉(xiāng)等鄉(xiāng)(鎮(zhèn))。這些地區(qū)大部分處于山區(qū)，氣溫略低，蒸發(fā)量略小，雨季開始前，降水量相對較少。

較低風險區(qū)包括涼山州北部的甘洛和越西及攀枝花南部的仁和區(qū)、東區(qū)、西區(qū)、鹽邊縣南部，以及鹽邊縣北部低風險區(qū)周邊地方。主要涉及攀枝花市的平地鎮(zhèn)、大田鎮(zhèn)、仁和鎮(zhèn)、銀江鎮(zhèn)、同德鎮(zhèn)、格里坪鎮(zhèn)、紅格鎮(zhèn)、格薩拉鄉(xiāng)等鄉(xiāng)(鎮(zhèn))。這些地區(qū)處于金沙江河谷、南部中高山區(qū)，以及西北部的山區(qū)，雨季開始前，空氣干燥，蒸發(fā)量大，降水量少。中高山區(qū)的人工灌溉條件略差，金沙江河谷區(qū)人工灌溉條件較好。

低風險區(qū)大部位于攀枝花鹽邊縣北部二灘水庫尾水的部分地方。主要涉及漁門鎮(zhèn)、永興鎮(zhèn)、惠民鄉(xiāng)等鄉(xiāng)(鎮(zhèn))。這些地區(qū)處于河谷和中山區(qū)，雨季開始前，降水量少，蒸發(fā)量略小，人工灌溉條件相對較好。

3 結(jié) 論

(1)從各地平均干旱指數(shù)來看：攀西農(nóng)區(qū)大部都處于偏旱范圍，其中南部發(fā)生干旱程度要明顯重于東北部；重旱界限上的變異系數(shù)值較大區(qū)域主要集中在中部、東北部及西南部局部，說明該區(qū)域重旱發(fā)生年份較多，風險較大。從風險概率的分布來看：偏旱界限上的風險概率自北向南逐步減小，重旱界限上的風險概率值以攀西農(nóng)區(qū)中部區(qū)域最大，其余地區(qū)自南向北逐步減小。

(2)從綜合風險指數(shù)來看：高風險區(qū)位于涼山州的冕寧縣大部，昭覺德昌局部、米易縣東北的大部分地區(qū)，該地區(qū)氣溫高，蒸發(fā)量大，雨季開始前，降水量較少。

4 討 論

本文挑選了攀西地區(qū)烤煙移栽到雨季來臨受干旱影響最為嚴重的這段時期，考慮農(nóng)業(yè)氣象情報實際服務需要，以旬為單位，并對逐旬設定權(quán)重的方法，計算該時段農(nóng)田水分盈虧指數(shù)。該模型能較為客觀反應攀西地區(qū)烤煙干旱時空分布特征。建立的攀西烤煙移栽期干旱監(jiān)測模型，利用了攀西烤煙歷年災情數(shù)據(jù)和災害大典中的記載，對烤煙干旱等級進行劃分，與近年實況對比，得到了較為一致的結(jié)果。